Номер 5, страница 180 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 50. Поглощение и излучение света атомом. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 5, страница 180.

5. На каких физических принципах основан спектральный анализ? Приведите примеры избирательного поглощения электромагнитного излучения атмосферой Земли.

На каких физических принципах основан спектральный анализ?

Спектральный анализ — это метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на изучении его спектров. В основе этого метода лежат следующие фундаментальные физические принципы, вытекающие из квантовой механики:

1. Атомы и молекулы любого вещества могут находиться только в определенных, дискретных энергетических состояниях, называемых стационарными. Каждому состоянию соответствует определенный уровень энергии $E_n$.

2. При переходе атома (или молекулы) из состояния с большей энергией $E_k$ в состояние с меньшей энергией $E_n$ испускается квант электромагнитного излучения — фотон. Энергия фотона равна разности энергий этих состояний, а частота излучения $\nu$ определяется постулатом Бора: $h\nu = E_k - E_n$, где $h$ — постоянная Планка.

3. Атом (или молекула) может поглотить фотон и перейти из состояния с меньшей энергией $E_n$ в состояние с большей энергией $E_k$ только в том случае, если энергия фотона в точности равна разности энергий этих состояний: $h\nu = E_k - E_n$.

4. Поскольку набор энергетических уровней для каждого химического элемента (а также для каждой молекулы) строго индивидуален и уникален, то и набор частот, которые вещество может излучать или поглощать, также является уникальным. Этот уникальный набор спектральных линий (или полос) служит "отпечатком пальца" вещества, что позволяет однозначно идентифицировать его по спектру.
Таким образом, анализируя положение, интенсивность и структуру спектральных линий в спектре излучения или поглощения исследуемого образца, можно определить, какие химические элементы или соединения в нем содержатся (качественный анализ) и в каком количестве (количественный анализ).

Ответ: Спектральный анализ основан на квантовых принципах: 1) атомы и молекулы существуют в дискретных энергетических состояниях; 2) при переходе между этими состояниями они излучают или поглощают фотоны строго определенных частот, согласно формуле $h\nu = |E_k - E_n|$; 3) каждый химический элемент имеет уникальный набор энергетических уровней и, следовательно, уникальный линейчатый спектр, что позволяет его идентифицировать.

Приведите примеры избирательного поглощения электромагнитного излучения атмосферой Земли.

Атмосфера Земли прозрачна не для всех длин волн электромагнитного излучения. Различные газы, входящие в ее состав, избирательно поглощают излучение в определенных участках спектра. Это явление имеет огромное значение для жизни на планете и для астрономических наблюдений.
Основные примеры избирательного поглощения:

1. Поглощение ультрафиолетового излучения озоном. Озоновый слой ($O_3$), расположенный в стратосфере, поглощает большую часть жесткого и средневолнового ультрафиолетового излучения Солнца (длины волн короче 315 нм). Это защищает все живые организмы на Земле от губительного действия этого излучения.

2. Поглощение инфракрасного излучения парниковыми газами. Водяной пар ($H_2O$), углекислый газ ($CO_2$), метан ($CH_4$) и другие газы активно поглощают тепловое инфракрасное излучение, идущее от поверхности Земли. Это явление, известное как парниковый эффект, приводит к удержанию тепла в атмосфере и поддержанию на планете температуры, пригодной для жизни. Без этого эффекта средняя температура на Земле была бы примерно на 33°C ниже.

3. Поглощение в других диапазонах. Молекулярный кислород ($O_2$) и азот ($N_2$) поглощают излучение в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Кислород также имеет полосы поглощения в микроволновом диапазоне, а водяной пар — в радиодиапазоне, что затрудняет радиоастрономические наблюдения на определенных частотах.
В результате такого избирательного поглощения в атмосфере существуют так называемые "окна прозрачности" — диапазоны длин волн, в которых излучение проходит практически беспрепятственно. К ним относятся окно в видимом свете и "радиоокно".

Ответ: Примерами избирательного поглощения излучения атмосферой являются: 1) поглощение озоновым слоем большей части солнечного ультрафиолетового излучения, защищающее жизнь на Земле; 2) поглощение инфракрасного (теплового) излучения парниковыми газами (водяным паром, углекислым газом), что создает парниковый эффект и поддерживает тепловой баланс планеты.